一种基于新型交通仿真模型的无网格交通仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种基于新型交通仿真模型的无网格交通仿真方法，建立车辆系统仿真模型、道路交通的动力系统模型、交通系统的边界作用力模型、行人及其他非机动车辆系统模型；并建立信号灯对交通系统作用的仿真模型、无网格粒子与真实车辆之间的一一对应关系，并得出用于SPH求解的控制方程组；得出基于新型交通仿真模型的无网格交通仿真方法方程组；通过采用颗粒流体系统的思想，建立了交通系统拟流体模型；既可以保持传统微、中、宏观模型在求解交通问题中存在的各自优势，又克服了他们自身的缺点，同时真正实现了将微、中、宏观方法有效连接起来的目的。

A meshless traffic simulation method based on a new traffic simulation model

The invention discloses a novel traffic simulation model of meshless method based on traffic simulation, establishing the vehicle road traffic system simulation model, dynamic system model of traffic system, the boundary force model, pedestrians and other non motor vehicle system model; and establish the corresponding relationship between the traffic signal lamp system, simulation model the particle and the real vehicle, and can be used for solving SPH equations; the meshless method of traffic simulation equations model based on traffic simulation model; through the use of particle fluid systems, fluid model is set up to traffic system; can not only keep the advantages of traditional micro and macro model in solving traffic in the problem, but also overcome the shortcomings of their own, and truly realize the micro and macro method is effective even The purpose of being connected.

【技术实现步骤摘要】
一种基于新型交通仿真模型的无网格交通仿真方法
本专利技术属于信息交通
，具体涉及一种基于新型交通仿真模型的无网格交通仿真方法。
技术介绍
目前，国内外对于交通问题的研究主要有三个大类的方法，分别为基于实验采集数据的分析方法、基于非线性科学的理论分析方法和基于交通系统流体力学模型的仿真分析方法。采用传统的实验数据分析方法，需要大量的人力、物力资源及很长的实验采集周期。虽然如今高速摄像系统及其数据分析手段不断改进和更新，但是仅通过数据很难全面直观了解道路交通系统内由于驾驶员等人为因素造成的时走时停、幽灵式交通等特殊交通行为。同时，采用理论分析的方法很难得到道路交通复杂系统的定量数值解，无法对交通系统内某些具体因素的影响进行深入分析。随着交通流理论的提出以及计算机软硬件的发展，通过建立交通流体力学模型进行数值模拟，已经为研究道路交通系统特性提供了一种有效而又经济的工具，逐渐成为道路交通问题解决和系统设计的重要手段。交通流理论是一门运用物理学和数学工具描述交通系统特性的科学。自上世纪三十年代提出至今，已发展出多达上百种物理模型和数学模型，这些模型从对车辆的描述方法上可分为微观、中观和宏观方法。微观方法集中于单个车辆在相互作用下的个体行为描述，具体包括车辆跟驰模型和元胞自动机模型。车辆跟驰模型应用最为广泛，通过跟踪每辆车的运动方程，模拟车辆的运动行为，但该模型模拟计算时间和内存要求与车辆数目成正比，不适合车辆数目很大的道路交通系统，否则计算消耗巨大，同时对于车辆间和驾驶员间存在的巨大差异，模型无法全部考虑；元胞自动机模型简单，计算机模拟易于实现，且可以并行计算，如果粒子演化更新规则设计合理，能够模拟道路交通问题中许多复杂非线性现象，但是该模型过于依赖于演化更新规则，模拟结果常与实测结果有很大差别，同时该模型仅适合单一影响因素的追踪分析，较难实现对道路交通系统多因素影响下的过程模拟。因此，微观方法模型在这些方面的瓶颈在一定程度上制约了此类方法的发展。宏观方法是将由大量车辆组成的系统看作可压缩连续流体介质，研究车辆集体的综合平均行为，其单个车辆的个体特性并不显示出来。该模型仅仅需要求解描述交通集体行为的少数参量构成的偏微分方程，模拟时间与车辆数目基本无关，因此适合于大量车辆组成的车流问题。最有代表性的模型包括：LWR模型，Payne模型，Papageorgiou模型，Khüne模型，Michalopoulos模型，Helbing“三方程”模型以及吴正模型等等，这些模型为交通问题的解决做出了巨大贡献。但是此类模型存在的不足是，目前所建立的非平衡流的高阶连续模型理论基础不够严格，模型较为简单，存在大量的人为假设，尤其模型中一些参数较大程度上依赖于实验数据和经验公式，普适性差，制约了此类方法自身优势作用的有效发挥。中观的气体动力学模型有较好的理论基础，它采用统计平均的方法考察大量分子的集体行为，推导出了宏观规律，给出了宏观量和微观量平均值的关系，建立起了微观模型和宏观模型的桥梁。但是目前该模型仅适合于稀疏气体分子的运动，分子间距较大，与道路交通系统中车辆间距可大可小的现状不相符合。同时，采用该模型建立的方程中包括很多待定参量和复杂关系式，尚未能和实际道路交通系统参量建立起联系，致使该模型相比其他两种方法发展迟缓。另外，目前国内外对道路交通系统模型进行求解，大多采用基于网格的数值模拟方法，通过追踪每一时间步固定位置上的车流密度、速度、流量等参量观测交通系统的演变过程，无法得到车辆实时的运动状况，更无法跟踪每一车辆的运动轨迹，这样对于道路交通系统中存在的一些典型状况，如幽灵式交通、交通拥堵、混合交通等均无法详细追踪事故的原因，无法充分发挥数值模拟的优势。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于新型交通仿真模型的无网格交通仿真方法，突破了传统微、中、宏观交通仿真模型的局限，实现了交通系统由微观分析到宏观建模再到微观仿真的新途径。本专利技术采用以下技术方案：一种基于新型交通仿真模型的无网格交通仿真方法，具体包括以下步骤：步骤1、建立车辆系统仿真模型、道路交通的动力系统模型、交通系统的边界作用力模型、行人及其他非机动车辆系统模型；步骤2、根据道路交通的动力系统模型和交通系统的边界作用力模型建立信号灯对交通系统作用的仿真模型；步骤3、根据车辆系统仿真模型和道路交通的动力系统模型建立无网格粒子与真实车辆之间的一一对应关系，并得出用于SPH求解的控制方程组；步骤4、综合交通系统的边界作用力模型、行人及其他非机动车辆系统模型、信号灯对交通系统作用的仿真模型及控制方程组，得出基于新型交通仿真模型的无网格交通仿真方法方程组。进一步地，步骤1中的车辆系统仿真模型为：其中，表示对时间参量求偏导数，t表示时间，k＝αvkv，kv为单位车道内根据单个车辆所占据的空间计算出的可容纳最多的车辆数目，vv是车辆系统的速度矢量，αv为车辆所占据空间的体积分数；▽P为驾驶员根据道路分布操控的动力梯度，▽Pv为车辆系统等效压力梯度，τv为车辆系统等效粘性应力张量，kg为外部由于雨、雪等环境因素施加给系统的作用力，βvf为驾驶员对车辆操控的等效曳力系数，vf为外部动力系统的速度矢量；g0为径向分布函数，e为车辆间相互作用影响归还系数，θv为车辆的速度脉动。进一步地，步骤1中的道路交通的动力系统模型为：其中，ρf和vf分别为等效道路交通动力系统的密度和速度，τf为等效道路交通动力系统的粘性项，Rfv为车辆系统与动力系统间相互作用力。进一步地，步骤1中的交通系统的边界作用力模型为：当|rbv|＜hb时，施加的边界作用力当|rbv|≥hb时，施加的边界作用力fbv＝0；其中，ε为罚参数，|rbv|为车辆与边界距离，hb为最小刹车距离，vv是车辆系统的速度矢量，vb为边界的速度矢量。进一步地，步骤1中的行人及其他非机动车辆系统模型：其中，knv为单位车道内所容纳的行人或非机动车的数目，vnv表示行人或非机动车系统的速度矢量，αnv为行人或非机动车所占据空间的体积分数，▽Pnv为行人或非机动车系统等效压力梯度，τnv为行人或非机动车系统等效粘性应力张量，knvg为外部由于雨、雪等环境因素施加给行人或非机动车系统的作用力，βnvf为行人或非机动车受驾驶员操控的等效曳力系数，θnv为行人或非机动车的速度脉动，pnv表示行人或非机动车系统的等效压力，I为单位张量矩阵。进一步地，信号灯对交通系统作用的仿真模型：当红灯亮起时，当绿灯亮起时，其中，lv表示车辆的尺寸。进一步地，步骤3的具体方法为：步骤3.1、采用SDPH方法建立SDPH车辆与实际车辆之间的对应关系：其中，为车辆的有效数密度，n为单位区域内的车辆数，Vv为车辆的平均体积，V0为空间总体积，nSPH为每个“SDPH车辆”所表征的实际车辆数，W为SPH方法的核函数，Veff为车辆所占据的有效空间体积；步骤3.2、基于步骤3.1的对应关系，得到用于SPH求解的控制方程组：其中，ki表示粒子i表征的车流密度，vij＝vi-vj，Wij表示核函数数值，▽i表示对粒子i求梯度；vi表示粒子i的速度，vj表示粒子j的速度，N表示粒子i周围临近粒子的数目，kj表示粒子j表征的车流密度，σi表示粒子i所表征的车辆系统本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于新型交通仿真模型的无网格交通仿真方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤1、建立车辆系统仿真模型、道路交通的动力系统模型、交通系统的边界作用力模型、行人及其他非机动车辆系统模型；步骤2、根据所述道路交通的动力系统模型和所述交通系统的边界作用力模型建立信号灯对交通系统作用的仿真模型；步骤3、根据所述车辆系统仿真模型和所述道路交通的动力系统模型建立无网格粒子与真实车辆之间的一一对应关系，并得出用于SPH求解的控制方程组；步骤4、综合交通系统的边界作用力模型、行人及其他非机动车辆系统模型、信号灯对交通系统作用的仿真模型及所述控制方程组，得出基于新型交通仿真模型的无网格交通仿真方法方程组。

【技术特征摘要】
1.一种基于新型交通仿真模型的无网格交通仿真方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤1、建立车辆系统仿真模型、道路交通的动力系统模型、交通系统的边界作用力模型、行人及其他非机动车辆系统模型；步骤2、根据所述道路交通的动力系统模型和所述交通系统的边界作用力模型建立信号灯对交通系统作用的仿真模型；步骤3、根据所述车辆系统仿真模型和所述道路交通的动力系统模型建立无网格粒子与真实车辆之间的一一对应关系，并得出用于SPH求解的控制方程组；步骤4、综合交通系统的边界作用力模型、行人及其他非机动车辆系统模型、信号灯对交通系统作用的仿真模型及所述控制方程组，得出基于新型交通仿真模型的无网格交通仿真方法方程组。2.如权利要求1所述的基于新型交通仿真模型的无网格交通仿真方法，其特征在于，步骤1中的车辆系统仿真模型为：其中，表示对时间参量求偏导数，t表示时间，k＝αvkv，kv为单位车道内根据单个车辆所占据的空间计算出的可容纳最多的车辆数目，vv是车辆系统的速度矢量，αv为车辆所占据空间的体积分数；为驾驶员根据道路分布操控的动力梯度，为车辆系统等效压力梯度，τv为车辆系统等效粘性应力张量，kg为外部由于雨、雪等环境因素施加给系统的作用力，βvf为驾驶员对车辆操控的等效曳力系数，vf为外部动力系统的速度矢量；g0为径向分布函数，e为车辆间相互作用影响归还系数，θv为车辆的速度脉动。3.如权利要求1所述的基于新型交通仿真模型的无网格交通仿真方法，其特征在于，步骤1中的道路交通的动力系统模型为：其中，ρf和vf分别为等效道路交通动力系统的密度和速度，τf为等效道路交通动力系统的粘性项，Rfv为车辆系统与动力系统间相互作用力。4.如权利要求1所述的基于新型交通仿真模型的无网格交通仿真方法，其特征在于，步骤1中的交通系统的边界作用力模型为：当|rbv|＜hb时，施加的边界作用力当|rbv|≥hb时，施加的边界作用力fbv＝0；其中，ε为罚参数，|rbv|为车辆与边界距离，hb为最小刹车距离，vv是车辆系统的速度矢量，vb为边界的速度矢量。5.如权利要求1所述的基于新型交通仿真模型的无网格交通仿真方法，其特征在于，步骤1中的行人及其他非机动车辆系统模型：其中，knv为单位车道内所容纳的行人或非机动车的数目，vnv表示行人或非机动车系统的速度矢量，αnv为行人或非机动车所占据空间的体积分数，为行人或非机动车系统等效压力梯度，τnv为行人或非机动车系统等效粘性应力张量，knvg为外部...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔曼，陈福振，卜凡彪，
申请(专利权)人：崔曼，
类型：发明
国别省市：陕西,61